Rayo McQueen es ahora un ganador de la Copa Pistón en 7 ocasiones y parece seguir en la cima de su carrera. Sin embargo, esto se ve comprometido cuando los novatos de nueva generación, como Jackson Storm, que utilizan tecnología y métodos de entrenamiento avanzados, empiezan a sustituir a muchos de los veteranos. A medida que el éxito de Storm atrae a otros novatos, muchos de los corredores más veteranos se retiran o son expulsados. En la última carrera de la temporada en Los Ángeles, McQueen empieza a quedarse atrás de Storm después de que ambos hayan entrado en boxes. Intenta mantener el ritmo, pero al hacerlo sufre un violento accidente que le deja malherido y pone fin prematuramente a su peor temporada.

Tras recuperarse, McQueen decide que seguirá compitiendo y llama a los propietarios de Rusteze, que le revelan que han vendido el equipo a un nuevo propietario llamado Sterling. Sterling asigna a McQueen a entrenar bajo las órdenes de Cruz Ramírez, donde McQueen no se adapta a los modernos métodos de entrenamiento. Por ello, Sterling intenta obligarle a retirarse. Empeñado en seguir compitiendo, McQueen le ofrece que, si gana la primera carrera de la temporada, podrá decidir si quiere seguir compitiendo; de lo contrario, se retirará inmediatamente.

McQueen intenta entrenar en la cercana playa de Fireball, pero acaba pasando la mayor parte del tiempo enseñando a Cruz a conducir en el terreno arenoso. A continuación, McQueen intenta participar en una carrera de incógnito en una famosa pista de tierra llamada Thunder Hollow, pero, sin querer, entra en un derby de demolición al estilo de la figura 8 con Cruz, que gana a pesar de que ambos ocultan sus identidades. La tapadera de McQueen también queda al descubierto cuando Cruz se desvía para evitar el camión de agua, lo que hace que se vuelque y derrame su contenido sobre McQueen, lo que aumenta su humillación.

Consternado por la aparente pérdida de tiempo de entrenamiento, McQueen enfurece a Cruz y en el proceso rompe accidentalmente su trofeo. Cruz revela que toda su vida ha querido ser una corredora como McQueen, pero que nunca empezó una carrera porque se sentía intimidada y superada por los demás corredores. Renuncia a ser la entrenadora de McQueen y se dirige al centro de entrenamiento.

Culpable y sin más opciones, McQueen llama a su amigo Mater para pedirle consejo. Este le sugiere que McQueen localice a Smokey, el mentor de Doc, en Thomasville, Georgia, la ciudad natal de Doc, por lo que McQueen alcanza a Cruz y la convence para que se reincorpore.

En Thomasville, McQueen se reúne con Smokey, quien le revela que, a pesar de que Doc no volvió a correr, encontró una nueva felicidad al entrenar a McQueen. Después de que McQueen acepte que nunca será tan rápido como Storm, Smokey y sus amigos ayudan a McQueen a aprender nuevos trucos para superar su desventaja de velocidad, utilizando a Cruz como su compañero de entrenamiento. Sin embargo, durante la última carrera de entrenamientos, Cruz le adelanta repentinamente y sufre un flashback de su accidente, lo que hace tambalear su confianza.

En la carrera de Florida, McQueen comienza en la cola, pero con la ayuda de Smokey en los boxes, consigue ascender poco a poco. Sterling, que sigue creyendo que McQueen no puede ganar, ordena a Cruz que vuelva al centro de entrenamiento para preparar a un nuevo corredor para la siguiente carrera, a pesar de que ella quiere quedarse a ver la carrera. Al escuchar el intercambio y recordar el sueño de Cruz de correr, McQueen hace que su equipo la prepare para ocupar su lugar en la carrera, creyendo que ella es la clave para derrotar a Storm. Aunque al principio se tambalea, Cruz es capaz de ascender en la clasificación gracias a que McQueen la entrena desde los boxes, y finalmente acaba justo detrás de Storm. Storm, sintiéndose amenazada, intenta intimidar a Cruz, hasta el punto de embestirla contra el muro en la última vuelta. Cruz, utilizando uno de los viejos movimientos de Doc, da un vuelco sobre Storm, lo adelanta y gana la carrera.

Mientras Cruz celebra su victoria, Sterling le ofrece un papel en su equipo, pero ella acepta una contraoferta del legendario propietario Tex Dinoco. Sterling le recuerda a McQueen su apuesta, pero como McQueen comenzó la carrera que Cruz terminó usando el mismo número, obtiene una parte de la victoria, ganando así la apuesta. Tex habla entonces con Sterling.

Tiempo después, McQueen y Cruz regresan a Radiator Springs, donde McQueen revela que Tex ha comprado Rust-eze a Sterling. McQueen, ahora ataviado con los antiguos colores de Doc, decide seguir corriendo, pero primero entrena a Cruz para la próxima temporada de la Copa Pistón. En una escena posterior a los créditos, se ve a Mater cantando una canción en su depósito de chatarra, y recibe una llamada pero accidentalmente derriba su puesto.